熱醒鼓法制備水溶性型芯工藝研究

熱醒鼓法制備水溶性型芯工藝研究

在熱壓法中，用親水鼓法制備洛陽，型芯可快速膨脹，強(qiáng)度可快速確定。這能有效地防止型芯在搬運(yùn)、烘烤過程中出現(xiàn)的斷裂、鼓脹、變形等缺陷。另外,此法制得的型芯強(qiáng)度高、發(fā)氣量低、變形量小、水溶潰散性優(yōu)良,且澆注后型芯材料還可回收利用,因此具有廣泛的應(yīng)用前景。然而采用此法制備型芯的研究中,對影響型芯強(qiáng)度的研究不夠系統(tǒng)。為此,本試驗(yàn)從水溶性型芯的配方及熱搗鼓法的成形工藝上進(jìn)行研究,旨在探究影響型芯抗拉強(qiáng)度的因素(粘結(jié)劑、原砂、粘土、加熱溫度及加熱時(shí)間)以及抗拉強(qiáng)度與各因素之間的關(guān)系。1試驗(yàn)部分1.1cl2、mgcl2、na2po4、kco3原材料:硅砂、寶珠砂,無水NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、NaH2PO4、K2CO3(分析純),粘土。試驗(yàn)設(shè)備:SAR-Ⅱ智能溫控覆膜砂制樣機(jī),SWY液壓萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī),SHY樹脂砂混砂機(jī)。1.2無機(jī)溶液材料的添加鹽砂芯制芯時(shí),一般先將耐火骨料與無機(jī)鹽干混再加水濕混或用水將無機(jī)鹽調(diào)稀后再進(jìn)行濕混。這兩種方法制芯時(shí)略有不同,但由于水加入量較少,無機(jī)鹽均未完全溶解,必然導(dǎo)致混合料成分不均勻,制得的型芯性能不夠穩(wěn)定。文獻(xiàn)將無機(jī)鹽以水溶液形式加入耐火骨料混合后制得型芯,型芯的強(qiáng)度比較穩(wěn)定。但實(shí)踐表明,此法制芯時(shí)粘模嚴(yán)重。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),向型芯混合料中添加少量粘土類物質(zhì),制芯時(shí)的粘模問題可以得到解決。因此,本試驗(yàn)無機(jī)鹽以溶液形式加入,并添加少量粘土物質(zhì)以防止型芯粘模。試樣制備:將砂與粘土在混砂機(jī)中干混1min,再加入K2CO3溶液濕混3min;待制樣機(jī)溫度達(dá)設(shè)定溫度時(shí),將混好的芯砂填入“8”字形模具,手工搗實(shí)后加熱一定的時(shí)間脫模取出試樣,并將制好的型芯置于干燥皿中備用?？估瓘?qiáng)度的測量方法:將制得的型芯置于強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測取5組抗拉強(qiáng)度值。除去最大值和最小值后,對剩下的3個(gè)數(shù)據(jù)求平均值。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1金屬離子對人工干預(yù)型芯強(qiáng)度的影響無機(jī)鹽粘結(jié)劑對水溶性型芯的性能起主要作用。因此,無機(jī)鹽粘結(jié)劑的選擇十分重要。這要求無機(jī)鹽本身具備一定的強(qiáng)度和耐火度,且與高溫金屬不發(fā)生反應(yīng),自身在高溫下也不發(fā)生分解等。試驗(yàn)中以廣泛使用的硅砂作為耐火材料,主要考察無機(jī)鹽種類以及無機(jī)鹽溶液對型芯抗拉強(qiáng)度的影響。所選幾種無機(jī)鹽粘結(jié)劑的理化性能見表1。2.1.1無機(jī)鹽結(jié)晶對型芯強(qiáng)度的影響要了解無機(jī)鹽的粘結(jié)強(qiáng)度需要配置相同濃度的無機(jī)鹽溶液。由于各類無機(jī)鹽的溶解度相差懸殊,因此只有配置較低濃度的無機(jī)鹽溶液。制芯時(shí),在硅砂中加入10%無機(jī)鹽溶液(溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)制樣。測得無機(jī)鹽粘結(jié)與型芯抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見圖1?？梢钥闯?CaCl2、MgCl2和NaH2PO4的抗拉強(qiáng)度較NaCl、KCl和K2CO3好。在這6種無機(jī)鹽中,前3種溶液呈酸性,后3種溶液呈中性或弱堿性。這表明以酸性無機(jī)鹽溶液作硅砂粘結(jié)劑,其強(qiáng)度性能更好。另外,CaCl2、MgCl2、NaCl和KCl均為氯化物,且前2種為二價(jià)堿金屬氯化物,后2種為一價(jià)堿金屬氯化物。這表明在溶液加入量相等時(shí),同為氯化物的二價(jià)堿金屬鹽作粘結(jié)劑的型芯表面明顯優(yōu)于一價(jià)金屬鹽粘結(jié)劑。2.1.2無機(jī)粘結(jié)劑對型芯力學(xué)性能的影響無機(jī)鹽溶液對抗拉強(qiáng)度的影響表現(xiàn)在溶液中溶質(zhì)和溶劑的含量上。若單從溶液加入量的角度來考察,其對抗拉強(qiáng)度的影響難以分析清楚。因?yàn)槿芤杭尤肓吭龃?溶質(zhì)和溶劑的量均增加,分析時(shí)易產(chǎn)生混雜。因此,試驗(yàn)中在型芯配料過程中分別固定溶劑和溶質(zhì)的加入量,從無機(jī)鹽加入量和水加入量兩個(gè)方面分別考慮溶液對抗拉強(qiáng)度的影響。(1)無機(jī)鹽加入量。水加入量一定時(shí),摩爾分?jǐn)?shù)的不同反映了無機(jī)鹽加入量的不同。因此,配制不同摩爾分?jǐn)?shù)的無機(jī)鹽溶液,考察不同無機(jī)鹽在不同摩爾分?jǐn)?shù)下型芯的強(qiáng)度。無機(jī)鹽溶液的摩爾分?jǐn)?shù)分別為3mol/L、4mol/L和5mol/L。圖2為無機(jī)鹽加入量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?隨無機(jī)鹽加入量的增加,型芯的抗拉強(qiáng)度有所增大。這是因?yàn)?型芯建立強(qiáng)度的過程是型芯中無機(jī)鹽溶液受熱后水分蒸發(fā)無機(jī)鹽逐步結(jié)晶的過程。隨著溶液摩爾分?jǐn)?shù)增加,混合料中無機(jī)鹽的含量增大,則蒸發(fā)結(jié)晶時(shí)型芯內(nèi)析出的架橋增加,所以型芯強(qiáng)度有所增大。另外,在相同的摩爾分?jǐn)?shù)下,不同無機(jī)鹽型芯的抗拉強(qiáng)度與相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同無機(jī)鹽型芯的抗拉強(qiáng)度相差不大。首先,溶液呈酸性的無機(jī)鹽粘結(jié)劑抗拉強(qiáng)度高于溶液呈中性的無機(jī)鹽粘結(jié)劑(圖2);其次,二價(jià)堿金屬氯化物的粘結(jié)強(qiáng)度優(yōu)于一價(jià)堿金屬氯化物。所不同的是,以K2CO3為粘結(jié)劑的型芯,其抗拉強(qiáng)度值有明顯提高,達(dá)到了以NaH2PO4為粘結(jié)劑型芯的水平。(2)水加入量。由于在型芯中,起粘結(jié)作用的是無機(jī)鹽。若無機(jī)鹽粘結(jié)劑的種類選定,且加入量一定,那么型芯強(qiáng)度理當(dāng)為定值。然而,型芯的強(qiáng)度與水的加入量有關(guān)。因此,以K2CO3為例,考察了無機(jī)鹽加入量一定時(shí),水加入量對型芯抗拉強(qiáng)度的影響,見圖3?？估瓘?qiáng)度隨水加入量的增加呈下降的趨勢。對其散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸分析,得出抗拉強(qiáng)度與水加入量呈線性關(guān)系,且線性度較好。型芯中,起粘結(jié)作用的是無機(jī)鹽。但水對無機(jī)鹽有一定的破壞作用。這是因?yàn)?型芯在加熱過程中,外層型芯混合料最先受熱,無機(jī)鹽溶液會蒸發(fā)結(jié)晶,形成網(wǎng)狀粘結(jié)橋。然而,過多的水分導(dǎo)致內(nèi)層混合料的升溫速率減慢,結(jié)果是外層晶橋已形成時(shí)內(nèi)層的大量水分未能充分溢出。隨著加熱時(shí)間的延長,內(nèi)層混合料溫度升高后,混合料中的水分逐漸溢出,這破壞了外層已建立起來的晶橋,從而導(dǎo)致型芯強(qiáng)度的下降。因此,從無機(jī)鹽粘結(jié)劑對型芯抗拉強(qiáng)度的影響來看,宜選用粘結(jié)強(qiáng)度高的無機(jī)鹽,如CaCl2、MgCl2和NaH2PO4。然而,MgCl2耐火度偏低;NaH2PO4高溫下分解出P2O5氣體。從無機(jī)鹽加入量和水加入量對型芯抗拉強(qiáng)度的影響來看,理想的無機(jī)鹽粘結(jié)劑應(yīng)該是無機(jī)鹽本身有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度外,無機(jī)鹽更應(yīng)該有較高的溶解度。只有較高的溶解度,才可能通過加較少的水就能溶解較多的無機(jī)鹽。從這一角度出發(fā),K2CO3和CaCl2是較為理想的無機(jī)鹽粘結(jié)劑。但CaCl2吸濕性極強(qiáng),若不能保證工作環(huán)境濕度極低,K2CO3作粘結(jié)劑更為合適。2.2原砂的影響2.2.1砂粒對型芯強(qiáng)度的影響鑄造用耐火材料可以分為兩大類,氧化鋁系耐火材料和氧化硅系耐火材料。兩類原砂耐火物相的物理化學(xué)性質(zhì)見表2。本試驗(yàn)以硅砂和莫來石砂作為耐火材料,考察不同種類的原砂在兩種不同粘結(jié)劑(強(qiáng)堿弱酸鹽K2CO3和強(qiáng)酸弱堿鹽CaCl2)及不同粘結(jié)劑加入量下型芯的抗拉強(qiáng)度。其中K2CO3溶液濃度為50%,CaCl2溶液濃度為30%,粘土適量。原砂對型芯抗拉強(qiáng)度可能存在物理和化學(xué)影響兩方面。一方面由于寶珠砂粒形更圓整,流動(dòng)性較好,在充填的過程中,容易搗實(shí),因此砂粒與砂粒之間的架橋連接比較密實(shí),型芯強(qiáng)度自然增大(圖4a)。這在水玻璃砂及樹脂砂中被認(rèn)同。試驗(yàn)結(jié)果表明,以寶珠砂為耐火材料的型芯,其強(qiáng)度明顯優(yōu)于以硅砂為耐火材料的型芯。所謂化學(xué)影響可能與耐火材料的耐火物相有關(guān)。石英砂表面呈酸性,在無機(jī)鹽蒸發(fā)結(jié)晶過程中,這有利于吸附強(qiáng)酸弱堿鹽中的金屬離子,從而使型芯的強(qiáng)度增大。試驗(yàn)結(jié)果亦表明,以強(qiáng)堿弱酸鹽K2CO3為粘結(jié)劑的型芯強(qiáng)度低于以強(qiáng)酸弱堿鹽CaCl2為粘結(jié)劑的型芯。而以莫來石為主要成分的寶珠砂,其耐火物相呈兩性,因此無論是強(qiáng)酸弱堿鹽還是強(qiáng)堿弱酸鹽,型芯強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅砂(圖4b)。2.2.2粒徑與型芯強(qiáng)度的關(guān)系將硅砂進(jìn)行篩分,取單目砂進(jìn)行試驗(yàn),以考察在溶液加入量一定時(shí),砂粒粒度對型芯抗拉強(qiáng)度的影響。砂粒粒徑與型芯抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見圖5?？梢钥闯?砂粒粒徑與型芯抗拉強(qiáng)度之間存在較明顯的二次曲線關(guān)系。這是因?yàn)樯傲Ａ綄π托緩?qiáng)度有兩個(gè)方面的影響。當(dāng)砂粒粒徑較大時(shí),單位面積上架橋的數(shù)目較少,型芯強(qiáng)度較低;砂粒粒徑較小時(shí),包覆在砂粒表面的溶液厚度較薄,型芯的強(qiáng)度也相應(yīng)較低。因此,從原砂對型芯抗拉強(qiáng)度的影響來看,若單從強(qiáng)度的角度考慮,粒形圓整、流動(dòng)性好的寶珠砂是首選。若從經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度考慮,石英砂價(jià)格低廉,且制得的型芯強(qiáng)度性能尚可,若能通過其他途徑進(jìn)一步提高其性能也是可取的。2.3抗壓強(qiáng)度的影響粘土加入后,可以避免制芯時(shí)的粘模現(xiàn)象。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),粘土加入量對型芯的抗拉強(qiáng)度也有一定的影響,見圖6?？梢钥闯?抗拉強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢。粘土加入后,可能為無機(jī)鹽結(jié)晶提供了外加晶核,從而起到細(xì)化晶粒的作用。當(dāng)粘土加入量較少時(shí),所提供的晶核較少,晶粒細(xì)化不夠明顯;但加入量過高時(shí),包覆在粘土表面的無機(jī)鹽相對較薄,于是無機(jī)鹽粘結(jié)橋的強(qiáng)度較低,所以強(qiáng)度較低。因此,在粘土加入量為3%~5%時(shí),具有較好的強(qiáng)度。2.4制芯溫度對金相粘合劑型芯的影響制樣時(shí),若加熱溫度太低,溶液中水分蒸發(fā)十分緩慢,制芯則需要很長時(shí)間才能使型芯建立起強(qiáng)度。若加熱溫度過低,不能夠去除無機(jī)鹽攜帶的結(jié)晶水,在澆注過程中這些低溫結(jié)晶水迅速溢出,使鑄件產(chǎn)生氣孔。但是加熱溫度也不能太高,太高時(shí)型芯中水分迅速氣化,制得的型芯容易產(chǎn)生開裂等現(xiàn)象。因此,宜將加熱溫度設(shè)定在一個(gè)合適的值上。由于K2CO3和CaCl2適宜于用作無機(jī)鹽粘結(jié)劑,將K2CO3和CaCl2溶液進(jìn)行熱重/差熱分析,發(fā)現(xiàn)K2CO3溶液在180℃附近不再發(fā)生熱失重(圖7),CaCl2溶液主要失重也發(fā)生在180℃之前(圖8)。這說明在此溫度下可以將K2CO3和CaCl2攜帶的結(jié)晶水全部或絕大部分去除干凈。因此,宜以此溫度為加熱溫度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在此溫度下制樣,型芯強(qiáng)度較好,且無開裂現(xiàn)象。另外,由于CaCl2在307℃仍有失重,制芯溫度若設(shè)定為此溫度,型芯容易產(chǎn)生開裂;制芯溫度若設(shè)定為180℃,型芯混合料中的水分不能去除干凈,澆注過程中容易產(chǎn)生氣孔。因此,若要采用CaCl2作為粘結(jié)劑,后續(xù)加熱工藝是必不可少的,這會增加型芯的制芯工序。所以說K2CO3作粘結(jié)劑更可取。圖9為加熱時(shí)間對型芯抗拉強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?水加入量不同時(shí),抗拉強(qiáng)度隨加熱時(shí)間的延長具有微小的降低,約0.05MPa。這可能是隨著加熱時(shí)間的延長,型芯中水分的散失比較充分,其中添加的粘土因失水而導(dǎo)致型芯強(qiáng)度有細(xì)微的減小。因此,對于以K2CO3為粘結(jié)劑的型芯,制芯溫度宜控制在180℃。另外加熱時(shí)間達(dá)到180s后,延長加熱時(shí)間對型芯抗拉強(qiáng)度影響不大。3粘結(jié)劑用量對型芯力學(xué)性能的影響(1)無機(jī)鹽粘結(jié)劑對型芯抗拉強(qiáng)度的影響十分顯著。溶液呈酸性的無機(jī)鹽粘結(jié)劑強(qiáng)度較好、弱堿性的次之、中性的最差。但制備鋁合金用水溶性型芯,溶解度較高、吸濕相對較弱的K2CO3作無機(jī)鹽粘結(jié)劑最為合適,在環(huán)境濕度允許且要求型芯強(qiáng)度較高時(shí),可使用CaCl2作粘結(jié)劑。(2)原砂種類對型芯抗拉強(qiáng)度的影響較大